立方cdhgse_2電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)的第一性原理.

1、立方CdHgSe_2電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)的第一性原理計算劉其軍，劉正堂，馮麗萍，許冰（西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院；凝固技術(shù)國家重點實驗室，陜西 西安 710021）摘要：采用廣義梯度近似平面波超軟贗勢法，計算研究了立方CdHgSe_2的結(jié)構(gòu)，電子和光學(xué)性能。結(jié)果表明，立方CdHgSe_2的直接帶隙是0.03eV，并且以最小總能兩計算所得的結(jié)構(gòu)參數(shù)與其他文獻結(jié)果吻合較好。計算了復(fù)雜的介電函數(shù)，折射率，消光系數(shù)，光學(xué)反射率，吸收系數(shù)，功能復(fù)雜的電導(dǎo)率和能量損失譜。由于半導(dǎo)體合金材料的結(jié)構(gòu)，在（100）和（001）方向上具有明顯的光學(xué)各向異性。這是第一次對立方CdHgSe_2的光學(xué)性質(zhì)進行理論預(yù)測，其結(jié)果

2、仍需實驗結(jié)果進行確認。關(guān)鍵詞：密度泛函理論，電子結(jié)構(gòu)，光學(xué)性質(zhì)，立方CdHgSe_2簡介II-VI 族半導(dǎo)體發(fā)光材料具有優(yōu)異的光電催化及光電轉(zhuǎn)化活性等特性，已應(yīng)用于發(fā)光二極管，太陽能電池，光電檢測器，電攝影，激光，生物標簽和細胞成像紅外設(shè)備等領(lǐng)域。近年來，人們對II-VI族半導(dǎo)體材料的制備方法、性能及其應(yīng)用進行了大量的研究，取得了重要的成就。此外，人們對CdSe HgSe對三元和偽二元半導(dǎo)體材料的影響也很有興趣。Bhuse等計算出CdSe，HgSe和Cd0.5Hg0.5Se的光學(xué)帶隙為1.75eV，0.81eV，1.34eV；Hankare等發(fā)表了有關(guān)于Cd1-xHgxSe(0<x<

3、;1)薄膜的生長動力學(xué)極其結(jié)構(gòu)和光電性質(zhì)的報告。然而，有關(guān)于CdHgSe_2的理論數(shù)據(jù)卻是少之又少的。因此我們通過廣義梯度近似平面波超軟贗勢法，計算研究了立方CdHgSe_2的結(jié)構(gòu)，電子和光學(xué)性能。計算方法本研究采用Accelrys公司的Materials Studio中的CASTEP模塊進行計算。此模塊基于密度泛函方法的從頭算量子力學(xué)程序:利用平面波贗勢方法,將離子勢用贗勢替代,電子波函數(shù)用平面波基矢組展開,電子-電子相互作用的交換和相關(guān)勢由局域密度近似(LDA)或廣義梯度近似 (GGA)進行校正,它是目前較為準確的電子結(jié)構(gòu)計算的理論方法。在用超軟贗勢描述價電子與芯態(tài)關(guān)系時，Cd的結(jié)構(gòu)為Kr

4、4d105s2，其中的4d10和5s2電子為價電子；Hg的結(jié)構(gòu)為Xe4f145d106s2,其中5d10和6s2電子為價電子；Se的結(jié)構(gòu)為Ar3d104s24p4，其中4s2和4p4為價電子。計算中平面波階段能取350eV，布里淵區(qū)積分采用Monkhorst-pack的3×3×2進行分格。自洽場運算中,自洽精度設(shè)為每個原子能量收斂至5.0×10- 6eV,作用在每個原子上的力不超過0.01eV.nm-1,內(nèi)應(yīng)力不大于0.02GPa，位移收斂于5.0×10-4。電磁波在介質(zhì)中傳播，當(dāng)需要考慮吸收的影響時，介電函數(shù)要用復(fù)數(shù)（）1（）i2（）來描述，其中2（）

5、2n（）k（），可以用1，2描述晶體的光學(xué)性質(zhì)，也可以用n、k來描述光學(xué)性質(zhì)，二者是等價的17。利用Kramers-Krönig關(guān)系，可以推導(dǎo)出晶體的介電函數(shù)的虛部、實部、吸收系數(shù)、反射系數(shù)等具體推導(dǎo)過程請參閱文獻17,18，這里只給出與我們計算有關(guān)的內(nèi)容： （1）（2） 其中p為積分的主值。 （3） （4） （5）計算結(jié)果及討論1. 結(jié)構(gòu)優(yōu)化通過GGA來優(yōu)化立方CdH gSe_2的結(jié)構(gòu)以便檢驗超軟贗勢的適用性和準確性。表1為實驗結(jié)果與理論計算結(jié)果的對比，其結(jié)果表明我們得到的理論結(jié)果與實驗結(jié)果相吻合。表1 優(yōu)化后立方CdH gSe_2的結(jié)構(gòu)參數(shù)與計算值及實驗值比較2. 電子結(jié)構(gòu)在幾何

6、結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，GGA電子能帶結(jié)構(gòu)和周圍的費米立方CdHgSe_2沿布里淵區(qū)高對稱點方向的能帶結(jié)構(gòu)計算結(jié)構(gòu)見圖1。由圖1可以看出，立方CdH gSe_2屬于直接帶隙半導(dǎo)體，因為從價帶頂?shù)綄?dǎo)帶底都在G點。計算得出的最小帶隙為0.03eV，遠小于實驗結(jié)果1.34eV，這是由于計算方法本身在求解激發(fā)態(tài)能量時的不足使得得到的帶隙會比實驗值小。表2給出了帶隙能與導(dǎo)帶價的過渡對稱性。 圖2給出了CdHgSe_2的總態(tài)密度和分態(tài)密度圖。從圖中可以看出有5個不同的電子態(tài)密度結(jié)構(gòu)。低價帶部分帶寬為2.25eV，主要由Se的4s電子構(gòu)成，其中態(tài)密度的峰值出現(xiàn)在-12.26eV處。位于- 8.93 eV 到 - 7.0

7、1eV帶寬區(qū)域主要由Ge的4d電子與Se的4p電子交雜構(gòu)成，而峰值出現(xiàn)在-7.83eV。位于- 7.01eV 到 5.13eV帶寬區(qū)域主要由Hg的5d電子與Se的4p電子交雜構(gòu)成，而峰值出現(xiàn)在-6.06eV。更高一級的能帶主要由Se的4p電子與Cd的5s電子與Hg的6s電子交雜構(gòu)成，并且出現(xiàn)了3個峰值，分別是：-4.17eV、-1.49eV、-1.17eV。導(dǎo)帶主要是由Cd的4p電子和Hg的5p電子，同時雜化了Se的4s、Se的4p電子也有貢獻。圖3中可以看出立方CdHgSe2在（010）和（101）面的總電子密度。CdHgSe2的價帶和導(dǎo)帶在高對稱點的大量有效電子團的BZ可以由表3看出。遺憾

8、的是沒有有關(guān)于CdHgSe2有效電子團的報道數(shù)據(jù)。由GGA計算出的結(jié)果可能有助于研究含有HgSe和CdSe的三元和偽二元的半導(dǎo)體材料。 3. 光學(xué)性質(zhì)通過平衡晶格常數(shù)計算得出的光學(xué)特性，其能量范圍高達30eV，列于圖4-6?？紤]到計算方法本身得到的帶隙比實驗值小，需要通過剪刀算符進行修正，引入的修正因子為1.34eV，將帶隙提高到與實驗數(shù)據(jù)相符的1.31eV。立方CdHgSe2的吸收系數(shù)如圖4所示，靜態(tài)折射率為n（100）（0）=2.67、n（010）（0）=2.78這和實驗數(shù)據(jù)2.49的HgSe、 2.72 CdSe相近，這表明通過剪刀算符進行修正是正確的。折射率隨著能量的增加而增大，在（1

9、00）和（010）方向上分別為2.05Ev和1.87eV處達到最大值。由圖5可看出立方CdHgSe_2的介電函數(shù)的實部和虛部1（100）=7.15和1（010）=7.73。由于只考慮電子，得出的數(shù)據(jù)都小于實驗數(shù)據(jù)CdSe的10.6和HgSe的25。光反射率，折射率吸收系數(shù)，復(fù)雜系數(shù)函數(shù)和能量損失譜可由圖6得知。結(jié)論采用廣義梯度近似（GGA）平面超波軟贗勢法對立方CdHgSe_2的電子結(jié)構(gòu)進行了第一性原理計算。以最小總能量得到的結(jié)構(gòu)參數(shù)與其他文獻數(shù)據(jù)相一致。并計算并分析了CdHgSe_2的復(fù)雜的介電函數(shù)，折射率，消光系數(shù)，光學(xué)反射率，吸收系數(shù)，電導(dǎo)率和能量損失譜函數(shù)等。為從實驗上研究立方CdHg

10、Se_2的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系提供了理論數(shù)據(jù)。通過對比證實了立方CdHgSe_2在極化方向（100）和（010）方向上具有光學(xué)特異性，這為立方CdHgSe_2的實際應(yīng)用提供了理論支持。參考文獻 1 Xu L, Chen K, Zhu J , et a. l Co reshe ll structure and quantum effect of CdSe /HgSe /CdSe quantum dot quantum well J . Supe rlattices andMicrostructures , 2001 , 29 ( 1): 67- 72 2 Hankare P P, Bhu

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